Лабораторная работа № 312 Измерение показателя преломления жидкостей рефрактометром аббе

Цель работы: изучение способа измерения показателя преломления жидкостей, основанного на явлении полного внутреннего отражения, определение зависимости показателя преломления растворов от их концентрации.

1. Описание методики.

При переходе электромагнитных волн (света) из одной среды в другую с разными оптическими свойствами происходит преломление световых лучей. При этом выполняется закон преломления: 1. луч, падающий на преломляющую поверхность (1), нормаль к этой поверхности в точке падения и преломленный луч (2) лежат в одной плоскости (рис.1). 2. отношение синуса угла падения φ к синусу угла преломления ψ не зависит от угла падения и для данной пары веществ есть величина постоянная. (1)

Величина называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

Показатель преломления вещества относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления:

(2)

где с = 3·10⁸ м/с скорость света в вакууме, v – скорость света в данной среде.

Относительный показатель преломления двух сред можно выразить через их абсолютные показатели преломления или через скорости распространения света v₁ и v₂ в этих средах:

(3)

При переходе луча из менее оптически плотной среды в более плотную (n₁ < n₂),  > 1 и ψ < φ.

При переходе луча из более плотной среды в менее плотную (n₁ > n₂)  < 1, угол преломления больше угла падения (рис.1). В последнем случае, увеличивая угол падения, можно достичь такого его значения φ₀, что соответствующий угол преломления ψ₀ = π/2, т.е. преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела двух сред.

При падении лучей на границу раздела под углами большими φ₂ > φ₀, свет не проходит через поверхность раздела, а полностью отражается.

Это явление называют полным внутренним отражением. Угол падения φ₀ называют предельным углом полного внутреннего отражения, учитывая, что sin ψ₀ = 1

(4)

2. Описание лабораторной установки

Приборы и принадлежности: рефрактометр ИРФ-22, стеклянные емкости для растворов, пипетка, салфетка.

Рефрактометрами называют приборы, служащие для измерения показателей преломления различных сред. Рефрактометр ИРФ-22 (системы АББЕ) применяется для определения показателей преломления жидкостей. Для освещения используют белый свет. Рефрактометр состоит из двух призм: измерительной ДЕF и осветительной АВС, изготовленных из стекла сорта флинтглас с большим показателем преломления (рис.2). Между призмами вводят 1-3 капли исследуемой жидкости, которая расплывается в слой толщиной 0,02 мм при опускании верхней призмы на нижнюю.

Пучок света от осветителя направляют на грань АВ осветительной призмы. Матовая поверхность АС этой призмы рассеивает лучи и, проходя через жидкость, они падают на грань ДF измерительной призмы под разными углами. Например, на точку О луч также будет падать под разными углами. Очевидно, что наибольший угол падения. Такой луч будет скользить по грани ДF и преломляться в призме ДЕF под предельным углом φ₀, как это следует из принципа обратимости светового луча. Если луч на точку О падал бы со стороны измерительной призмы, то после преломления он скользил бы вдоль границы раздела с жидкостью. Все остальные лучи падающие на грань ДF под углами ψ₁ < π/2, преломляются в измерительной призме под углами φ < φ₀. Соответственно в окуляр видны две области: светлая (нижняя половина) и темная (верхняя половина). На самом деле окуляр дает перевернутое изображение.

Поскольку скользящий по грани ДF луч выходя через грань ЕF создает границу раздела светотени в поле зрения окуляра, то его угол выхода ξ₀ является предельным. Луча с большим углом выхода существовать не может. Преломление рассматриваемого луча в точке О подчиняется формуле (4).

В точке М имеем

если принять показатель преломления воздуха за единицу.

Преломляющий угол призмы:

Из формул (4-6) можно получить, что показатель преломления исследуемой жидкости:

Если рефрактометр освещают белым светом, то граница светотени будет окрашена, вследствие этого, размыта, т.к. показатели преломления жидкости и стекла различны для лучей различных длин волн.

Для ликвидации размытости границы применяется компенсатор 3, состоящий из двух призм прямого зрения, которые могут вращаться в противоположные стороны, вследствие чего дисперсная способность его может изменяться в широких пределах. Эти призмы можно устанавливать так, чтобы дисперсия их компенсировала дисперсию света в жидкости и в призмах рефрактометра; тогда граница преломления будет не окрашенной, а отчетливой. Компенсатор при этом, сводит все предельные лучи (для всех волн) в то место поля зрения, которое совпадает с положением предельного луча для желтых лучей (линии натрия).

В рефрактометре ИФР-22 окуляр 6 – снабжен шкалой, позволяющей отсчитывать показатели преломления в пределах 1,30 – 1,69. Шкала находится с левой стороны поля зрения окуляра. На рис.3 представлен вид рефрактометра сверху:1 – осветительная призма; 3 – компенсатор; 4 – ручка для измерения угла поворота измерительной призмы; 5 – осветительное зеркальце; 6 – окуляр.